Direkte Antwort
Die I²t-Kurve (zulässige Energie) eines Leistungsschalters zeigt die thermische Energie, die während der Fehlerunterbrechung durchfließt. Das Lesen dieser Kurve ist unkompliziert: Suchen Sie Ihren voraussichtlichen Kurzschlussstrom auf der X-Achse, verfolgen Sie ihn nach oben, um die Kurve des Schalters zu schneiden, und lesen Sie dann den entsprechenden I²t-Wert auf der Y-Achse ab. Dieser Wert muss kleiner sein als die thermische Widerstandsfähigkeit Ihres Leiters (K²S²), um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Beispielsweise begrenzt ein strombegrenzender 160-A-Schalter, der einen 100-kA-Fehler unterbricht, I²t typischerweise auf etwa 0,48 × 10⁶ A²s, wodurch thermische Schäden an Kabeln und Sammelschienen verhindert werden, die sonst innerhalb von Millisekunden auftreten würden.
Was ist I²t und warum ist es wichtig für die elektrische Sicherheit?
Wenn in einem elektrischen System ein Kurzschluss auftritt, erzeugt der massive Stromstoß durch den I²R-Effekt intensive Wärme. Die gesamte von den Leitern absorbierte thermische Energie hängt sowohl von der Stromstärke als auch von der Dauer ab, bis die Schutzeinrichtung den Fehler beseitigt. Diese Beziehung wird als I²t ausgedrückt – das Integral des Stroms im Quadrat über die Zeit, gemessen in Ampere-Quadrat-Sekunden (A²s).
Strombegrenzende Leistungsschalter besitzen einen entscheidenden Vorteil: Sie reduzieren sowohl den Spitzenstrom als auch die Abschaltzeit bei Fehlern drastisch. Gemäß den Normen IEC 60947-1 quantifiziert die zulässige Energiekurve (auch Durchlassenergiekurve genannt) genau, wie viel thermischer Belastung die nachgeschalteten Leiter ausgesetzt sind. Das Verständnis und die Anwendung dieser Kurven verhindert Überhitzung der Leiter, Isolationsschäden und potenzielle Brandgefahren in elektrischen Anlagen.
Moderne elektrische Systeme setzen aus Kostengründen zunehmend auf kleinere Leiterquerschnitte, wodurch der thermische Schutz wichtiger denn je ist. Ein Standard-10-mm²-PVC-Kabel kann nur 1,32 × 10⁶ A²s aushalten, bevor die Isolierung versagt, aber ein nicht-strombegrenzender Schalter könnte ein Vielfaches dieser Energie während eines Fehlers mit hoher Magnitude durchlassen.
Wie strombegrenzende Schalter die thermische Belastung reduzieren
Die Physik der Strombegrenzung
Strombegrenzende Leistungsschalter verwenden eine schnelle Kontakttrennung in Kombination mit speziellen Lichtbogenlöschkammern. Wenn Fehlerstrom zu fließen beginnt, öffnen sich die Kontakte des Schalters innerhalb von 2-5 Millisekunden – oft bevor der Fehlerstrom seinen ersten voraussichtlichen Spitzenwert erreicht. Die während der Unterbrechung erzeugte Lichtbogenspannung wirkt der Systemspannung entgegen, wodurch effektiv eine Impedanz in den Fehlerpfad eingefügt und die Stromwellenform “zerhackt” wird.
Diese strombegrenzende Wirkung erzeugt zwei messbare Vorteile, die in den Datenblättern der Hersteller erfasst werden: den Spitzendurchlassstrom (Ip) und die Durchlassenergie (I²t). Während der Spitzenstrom die mechanische Belastung von Sammelschienen bestimmt, bestimmt der I²t-Wert die thermische Belastung aller Leiter im Fehlerpfad.
Vergleich von begrenzter und unbegrenzter Fehlerenergie
Betrachten Sie einen voraussichtlichen Kurzschluss von 100 kA in einem System, das durch verschiedene Geräte geschützt ist:
| Schutzgerät | Ausschaltzeit | Spitzenstrom | I²t-Wert | Temperaturanstieg (100×10mm Sammelschiene) |
|---|---|---|---|---|
| Kein Schutz | K.A. | 141 kA Spitze | Katastrophal | Verdampfung |
| Standard-MCCB (kurze Zeitverzögerung) | 500 ms | 100 kA RMS | ~5×10⁹ A²s | >500°C (Ausfall) |
| Strombegrenzender MCCB (160A) | 8 ms | 42 kA Spitze | 0,48×10⁶ A²s | 71°C (sicher) |
| Strombegrenzende Sicherung (160A) | 4 ms | 38 kA Spitze | 0,35×10⁶ A²s | 70,5°C (sicher) |
Dieser Vergleich zeigt, warum ein strombegrenzender Schutz für moderne Installationen mit hohen verfügbaren Fehlerströmen unerlässlich ist. Die Reduzierung von I²t um drei bis vier Größenordnungen verwandelt ein katastrophales thermisches Ereignis in einen beherrschbaren Temperaturausflug.
Lesen von I²t-Kurven: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung
Verständnis des Kurvenformats
Herstellerdatenblätter stellen I²t-Kurven auf logarithmischen Skalen dar, wobei der voraussichtliche Kurzschlussstrom (X-Achse) gegen die Durchlassenergie (Y-Achse) aufgetragen wird. Typischerweise erscheinen mehrere Kurven in einem Diagramm, die verschiedene Schalterbaugrößen oder -nennwerte innerhalb einer Produktfamilie darstellen.
Fünf Schritte zur Anwendung von I²t-Kurven
Schritt 1: Berechnen Sie den voraussichtlichen Kurzschlussstrom
Bestimmen Sie den maximal verfügbaren Fehlerstrom am Installationsort anhand von Systemimpedanzberechnungen gemäß IEC 60909 oder gleichwertigen Normen. Dies stellt den Strom dar, der fließen würde, wenn der Schalter durch einen massiven Leiter ersetzt würde.
Schritt 2: Suchen Sie den Strom auf der X-Achse
Suchen Sie Ihren berechneten voraussichtlichen Stromwert auf der horizontalen Achse des I²t-Kurvendiagramms. Wenn Ihr Wert zwischen den Gitterlinien liegt, interpolieren Sie logarithmisch oder verwenden Sie den nächsthöheren Wert für konservative Ergebnisse.
Schritt 3: Verfolgen Sie vertikal zur Schalterkurve
Zeichnen Sie eine imaginäre vertikale Linie von Ihrem Stromwert nach oben, bis sie die Kurve schneidet, die Ihrem spezifischen Schalternennwert entspricht. Unterschiedliche Amperewerte haben unterschiedliche Kurven – stellen Sie sicher, dass Sie die richtige lesen.
Schritt 4: Lesen Sie den I²t-Wert auf der Y-Achse ab
Verfolgen Sie vom Schnittpunkt aus horizontal zur linken Y-Achse, um den Durchlassenergiewert abzulesen. Beachten Sie die Einheiten sorgfältig – Werte werden typischerweise als A²s × 10⁶ oder ähnliche wissenschaftliche Notation ausgedrückt.
Schritt 5: Vergleichen Sie mit der Leiterfestigkeit
Überprüfen Sie, ob der I²t-Wert des Schalters kleiner ist als die maximale thermische Widerstandsfähigkeit des Leiters unter Verwendung der Formel K²S² (erläutert im nächsten Abschnitt).
Häufige Lesefehler, die vermieden werden sollten
Ingenieure machen häufig drei kritische Fehler bei der Interpretation von I²t-Kurven:
Verwechslung von RMS- und Spitzenwerten: Die X-Achse zeigt den voraussichtlichen RMS-Symmetriestrom, nicht den asymmetrischen Spitzenstrom. Die Verwendung von Spitzenwerten positioniert Sie falsch auf der Kurve, was typischerweise zu übermäßig optimistischen I²t-Messwerten führt.
Falsche Schalternennwerte: Produktfamilien zeigen oft mehrere Kurven in einem Diagramm an. Überprüfen Sie immer, ob Sie die Kurve lesen, die dem Amperewert und dem Schaltvermögen Ihres installierten Schalters entspricht (z. B. unterscheidet sich ein “C”-Kurven-10-kA-Schalter von einem “N”-Kurven-36-kA-Schalter mit der gleichen Stromstärke).
Ignorieren der logarithmischen Skalierung: Beide Achsen verwenden logarithmische Skalen. Ein kleiner visueller Abstand im Diagramm stellt eine große numerische Änderung dar. Lesen Sie die Werte immer sorgfältig von den Achsenbeschriftungen ab, anstatt sie visuell zu schätzen.
Berechnung der thermischen Widerstandsfähigkeit des Leiters
Die K²S²-Formel erklärt
Jeder Leiter hat eine maximale thermische Energie, die er absorbieren kann, bevor Isolationsschäden auftreten. Diese Grenze wird durch die adiabatische Gleichung ausgedrückt:
I²t ≤ K²S²
Wo:
- I²t = Durchlassenergie von der Schutzeinrichtung (A²s)
- K = Material- und Isolationskonstante (A·s½/mm²)
- S = Leiterquerschnittsfläche (mm²)
Die Konstante K berücksichtigt das Leitermaterial (Kupfer oder Aluminium), den Isolationstyp (PVC, XLPE, EPR), die Anfangstemperatur (typischerweise 70°C für Dauerbetrieb) und die zulässige Endtemperatur (160°C für PVC, 250°C für XLPE). IEC 60364-5-54 bietet standardisierte K-Werte.
Standardmäßige K-Werte für gängige Leiter
| Material des Leiters | Isolationsart | Anfangstemperatur | Endtemperatur | K-Wert (A·s½/mm²) |
|---|---|---|---|---|
| Kupfer | PVC | 70°C | 160°C | 115 |
| Kupfer | XLPE/EPR | 90°C | 250°C | 143 |
| Kupfer | Mineral (PVC) | 70°C | 160°C | 115 |
| Aluminium | PVC | 70°C | 160°C | 76 |
| Aluminium | XLPE/EPR | 90°C | 250°C | 94 |
Praktisches Berechnungsbeispiel
Szenario: Überprüfen Sie, ob ein VIOX NSX160F-Leistungsschalter (36kA Ausschaltvermögen) einen 10mm² Kupferleiter mit PVC-Isolierung ausreichend schützt, wenn der voraussichtliche Fehlerstrom 25kA beträgt.
Schritt 1: Ermitteln Sie das I²t des Leistungsschalters aus der Herstellerkurve
- Voraussichtlicher Strom: 25 kA
- Aus der Kurve des VIOX NSX160F-Datenblatts: I²t = 6×10⁵ A²s
Schritt 2: Berechnen Sie die thermische Belastbarkeit des Kabels
- K = 115 (Kupfer PVC, aus obiger Tabelle)
- S = 10 mm²
- K²S² = 115² × 10² = 1,32×10⁶ A²s
Schritt 3: Schutz überprüfen
- I²t des Leistungsschalters (6×10⁵) < K²S² des Kabels (1,32×10⁶) ✓
- Sicherheitsmarge: (1,32 – 0,6) / 1,32 = 54,51%
Fazit: Das Kabel ist mit einer erheblichen Sicherheitsmarge ausreichend geschützt.
Thermische Überprüfung von Stromschienen mit I²t
Warum Stromschienen besondere Berücksichtigung erfordern
Stromschienen in Verteilerfeldern und Schaltanlagen sind während Fehlern der gleichen thermischen Belastung wie Kabel ausgesetzt, aber ihr Überprüfungsprozess unterscheidet sich geringfügig aufgrund der Geometrie und der Installationsbedingungen. Kupfer- oder Aluminiumschienen haben eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, aber ihre kompakte Anordnung in geschlossenen Feldern begrenzt die Wärmeableitung während der kurzen Fehlerdauer.
Das gleiche I²t-Prinzip gilt, aber Ingenieure müssen den AC-Skin-Effekt-Faktor (Kf) und die genauen Leiterabmessungen berücksichtigen. Für rechteckige Kupferschienen wird die Berechnung der thermischen Belastbarkeit wie folgt durchgeführt:
θk = θ0 + (I²t × Kf × ρ0) / (A² × c × γ × (1 + α0 × θ0))
Wo:
- θk = Endtemperatur (°C)
- θ0 = Anfangstemperatur (typischerweise 70°C für Dauerbetrieb)
- I²t = Durchlassenergie (A²s)
- Kf = AC-Zusatzverlustkoeffizient (typischerweise 1,0-1,5 je nach Frequenz und Schienenabmessungen)
- ρ0 = Spezifischer Widerstand bei 0°C (1,65×10⁻⁸ Ω·m für Kupfer)
- A = Querschnittsfläche (m²)
- c = Spezifische Wärmekapazität (395 J/(kg·K) für Kupfer)
- γ = Dichte (8900 kg/m³ für Kupfer)
- α0 = Temperaturkoeffizient (1/235 K⁻¹ für Kupfer)
Durchgerechnetes Beispiel: Temperaturanstieg der Stromschiene
Gegeben: 100×10mm Kupferschiene, Anfangstemperatur 70°C, geschützt durch 160A strombegrenzenden Leistungsschalter, voraussichtlicher Fehlerstrom 100kA.
Schritt 1: I²t des Leistungsschalters ermitteln
- Aus der Herstellerkurve: I²t = 0,48×10⁶ A²s
Schritt 2: Endtemperatur berechnen
- A = 100mm × 10mm = 1000mm² = 1×10⁻³ m²
- Kf = 1,0 (konservativ für diese Geometrie)
- Unter Verwendung der obigen Formel:
θk = 70 + (0,48×10⁶ × 1,0 × 1,65×10⁻⁸) / ((1×10⁻³)² × 395 × 8900 × (1 + 1/235 × 70))
θk ≈ 70,8°C
Ergebnis: Der Temperaturanstieg beträgt weniger als 1°C, was die Wirksamkeit des strombegrenzenden Schutzes demonstriert. Ohne Strombegrenzung würde der gleiche 100kA-Fehler, der 500ms dauert, die Temperatur der Stromschiene auf etwa 95°C erhöhen – immer noch innerhalb der Grenzen, aber mit einer deutlich reduzierten Sicherheitsmarge.
Dieser dramatische Unterschied erklärt, warum strombegrenzende Leistungsschalter die Verwendung von kleineren, wirtschaftlicheren Stromschienen in modernen Schaltanlagenkonstruktionen ermöglichen und gleichzeitig die Sicherheitsstandards einhalten.
Standards und Compliance-Anforderungen
IEC 60947-2: Die grundlegende Norm
IEC 60947-2 regelt Niederspannungs-Leistungsschalter und schreibt vor, dass Hersteller I²t-Kurven für strombegrenzende Geräte bereitstellen. Die Norm legt Folgendes fest:
- Testbedingungen zur Bestimmung der Durchlasswerte
- Anforderungen an die Kurvengenauigkeit (typischerweise ±10% Toleranz)
- Temperatur in der Umgebung Annahmen (40°C für Industrieschalter)
- Koordinationsanforderungen zwischen vorgeschalteten und nachgeschalteten Geräten
Leistungsschalter müssen eine konsistente I²t-Leistung über ihren gesamten Ausschaltvermögensbereich nachweisen, vom minimalen bis zum Bemessungskurzschlussstrom.
Regionale Standardabweichungen
| Region | Primärstandard | Wesentliche Unterschiede |
|---|---|---|
| Europa | IEC 60947-2 | Direkte I²t-Kurven in Datenblättern erforderlich |
| Nord-Amerika | UL 489 | Durchlassdiagramme optional; Koordinationstabellen üblicher |
| China | GB 14048.2 | Basiert auf IEC 60947-2 mit geringfügigen Änderungen |
| Australien | AS/NZS 60947.2 | Identisch mit IEC mit lokalen Installationsanforderungen |
Integration von Kabelstandards
Thermische Belastbarkeitwerte der Leiter (K-Faktoren) stammen aus ergänzenden Normen:
- IEC 60364-5-54: Installationsanforderungen und K-Werte für feste Installationen
- IEC 60502: Starkstromkabel mit extrudierter Isolierung
- BS 7671: Britische Verdrahtungsvorschriften (harmonisiert mit IEC)
Ingenieure müssen sicherstellen, dass sowohl die Schutzeinrichtung (gemäß IEC 60947-2) als auch die Leiterdimensionierung (gemäß IEC 60364-5-54) zusammen auf vollständige Konformität geprüft werden.
Praktische Anwendung: Panel Design Workflow
Auswahlprozess für Neuinstallationen
Befolgen Sie bei der Konstruktion eines elektrischen Verteilerfelds diesen systematischen Workflow, um einen ordnungsgemäßen thermischen Schutz zu gewährleisten:
Phase 1: Systemanalyse
- Berechnen Sie den maximalen prospektiven Kurzschlussstrom an jedem Verteilungspunkt anhand von Systemimpedanzdaten
- Identifizieren Sie alle Leitertypen, -größen und -isolationsmaterialien in der Installation
- Bestimmen Sie die Umgebungstemperaturbedingungen und alle Reduktionsfaktoren
Phase 2: Auswahl der Schutzeinrichtung
- Wählen Sie die Leistungsschalterwerte basierend auf den Laststromanforderungen aus
- Überprüfen Sie, ob das Ausschaltvermögen den prospektiven Fehlerstrom übersteigt
- Wählen Sie strombegrenzende Leistungsschalter, wenn die Fehlerstrompegel hoch sind (>10 kA) oder die Leiter klein sind (<16 mm²)
Phase 3: Thermische Überprüfung
- Beziehen Sie I²t-Kurven vom Leistungsschalterhersteller für ausgewählte Geräte
- Berechnen Sie die thermische Belastbarkeit des Leiters (K²S²) für jeden Stromkreis
- Überprüfen Sie, ob der Leistungsschalter I²t < Leiter K²S² für den prospektiven Fehlerstrom ist
- Dokumentieren Sie die Sicherheitsmargen (empfehlen Sie mindestens 20 %)
Phase 4: Koordinationsprüfung
- Überprüfen Sie die Selektivität zwischen vorgeschalteten und nachgeschalteten Schutzeinrichtungen
- Stellen Sie sicher, dass die I²t-Werte des Backup-Schutzes die Grenzwerte des nachgeschalteten Leiters nicht überschreiten
- Überprüfen Sie die Koordinationstabellen des Herstellers für Gerätekombinationen
Nachrüst- und Upgrade-Szenarien
Bestehende Installationen erfordern häufig eine Bewertung, wenn die Last steigt oder sich die Fehlerstrompegel aufgrund von Versorgungs-Upgrades ändern. Der I²t-Verifizierungsprozess wird entscheidend:
Szenario: Eine Anlage fügt einen neuen Transformator hinzu, wodurch der verfügbare Fehlerstrom von 15 kA auf 35 kA an der Hauptverteilungstafel erhöht wird.
Erforderliche Analyse:
- Überprüfen Sie die vorhandenen Leistungsschalter-I²t-Kurven beim neuen Fehlerstrompegel (35 kA)
- Überprüfen Sie die thermische Belastbarkeit aller nachgeschalteten Leiter erneut
- Prüfen Sie, ob die vorhandenen Stromschienen noch ausreichend sind
- Bewerten Sie die Notwendigkeit von strombegrenzenden Leistungsschaltern, wenn Standardleistungsschalter jetzt die I²t-Grenzwerte des Leiters überschreiten
Diese Analyse zeigt häufig, dass vorhandene Standardleistungsschalter zwar ein ausreichendes Ausschaltvermögen haben, aber bei dem höheren Fehlerstrompegel ein übermäßiges I²t zulassen. Das Aufrüsten auf strombegrenzende Leistungsschalter bietet oft die wirtschaftlichste Lösung im Vergleich zum Austausch aller unterdimensionierten Leiter.
Häufige Konstruktionsfehler und wie man sie vermeidet
Fehler 1: Annahme, dass alle Leistungsschalter strombegrenzend sind
Problem: Nicht alle Leistungsschalter bieten eine signifikante Strombegrenzung. Standardmäßige thermisch-magnetische Leistungsschalter, insbesondere größere Baugrößen (>630 A), haben oft nur eine minimale strombegrenzende Wirkung. Ihre I²t-Kurven zeigen möglicherweise Werte, die nur geringfügig unter der unbegrenzten Fehlerstromenergie liegen.
Lösung: Überprüfen Sie immer den Leistungsschaltertyp und beziehen Sie die tatsächlichen I²t-Kurven vom Hersteller. Gehen Sie nicht von einer Strombegrenzung allein aufgrund des Ausschaltvermögens aus. Die strombegrenzende Leistung ist ein spezifisches Konstruktionsmerkmal, keine automatische Eigenschaft eines hohen Ausschaltvermögens.
Fehler 2: Verwendung von Spitzenstrom anstelle von Effektivwert
Problem: Ingenieure verwechseln manchmal den Spitzendurchlassstrom (Ip), der auf den Begrenzungskurven angezeigt wird, mit dem Effektivwert des Stroms, der für I²t-Berechnungen benötigt wird. Dies kann zu Fehlern von 40 % oder mehr führen.
Lösung: I²t-Kurven verwenden immer den symmetrischen prospektiven Effektivstrom auf der X-Achse. Wenn Sie den asymmetrischen Spitzenstrom berechnet haben, dividieren Sie ihn durch √2 × κ (wobei κ der Spitzenfaktor ist, typischerweise 1,8-2,0), um den Effektivwert zum Ablesen der Kurve zu erhalten.
Fehler 3: Parallele Leiter ignorieren
Problem: Wenn mehrere Leiter pro Phase parallel geschaltet sind (üblich bei großen Installationen), multiplizieren einige Ingenieure fälschlicherweise den K²S²-Wert mit der Anzahl der Leiter. Dies ist falsch, da sich der Fehlerstrom auf die parallelen Pfade verteilt, die I²t-Energie jedoch jeden Leiter einzeln beeinflusst.
Lösung: Überprüfen Sie bei parallelen Leitern, ob das I²t des Leistungsschalters kleiner als K²S² für einen einzelnen Leiter ist. Die Fehlerstromaufteilung ist bereits in der Systemimpedanzberechnung berücksichtigt, die den prospektiven Strom bestimmt hat.
Fehler 4: Vernachlässigung der Auswirkungen der Umgebungstemperatur
Problem: Die K-Werte in Standardtabellen gehen von bestimmten Anfangstemperaturen aus (typischerweise 70 °C für Dauerbetrieb). Installationen in heißen Umgebungen (Umgebungstemperatur >40 °C) oder mit hohen Lastfaktoren können höhere anfängliche Leitertemperaturen aufweisen, wodurch die thermische Belastbarkeit verringert wird.
Lösung: Für erhöhte Umgebungstemperaturen oder hohe Lastfaktoren gilt entweder:
- Verwenden Sie angepasste K-Werte aus IEC 60364-5-54 Anhang A
- Wenden Sie einen Temperaturreduktionsfaktor auf das K²S²-Ergebnis an
- Stellen Sie sicher, dass das I²t des Leistungsschalters eine zusätzliche Sicherheitsmarge bietet (>30 %)
Fortgeschrittene Themen: Energiebegrenzung und Störlichtbogen
Die Rolle von I²t bei der Reduzierung der Störlichtbogengefährdung
Bei der Berechnung der Störlichtbogen-Ereignisenergie gemäß IEEE 1584 wird traditionell die Zeit-Strom-Kennlinie des Leistungsschalters verwendet, um die Abschaltzeit zu bestimmen. Bei strombegrenzenden Leistungsschaltern, die in ihrem momentanen Bereich arbeiten, überschätzt diese Methode jedoch die tatsächliche Ereignisenergie erheblich.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verwendung des I²t-Werts zur Berechnung der Störlichtbogenenergie genauere Ergebnisse für strombegrenzende Geräte liefert. Die Beziehung ist:
Ereignisenergie (cal/cm²) ∝ √(I²t) / D²
Wobei D der Arbeitsabstand ist. Dieser Ansatz kann die berechnete Ereignisenergie im Vergleich zu Zeit-Strom-Kurvenmethoden um 50-70 % reduzieren, wodurch möglicherweise die erforderlichen PSA-Kategorien gesenkt und die Arbeitssicherheit verbessert werden.
Koordinations- und Selektivitätsbetrachtungen
Eine ordnungsgemäße Selektivität erfordert, dass nur der Leistungsschalter in der Nähe des Fehlers arbeitet, während die vorgeschalteten Geräte geschlossen bleiben. Aus I²t-Sicht bedeutet dies:
- Energieselektivität: Das I²t des vorgeschalteten Leistungsschalters am Fehlerort muss die gesamte Abschaltenergie des nachgeschalteten Leistungsschalters überschreiten
- Zeitselektivität: Das vorgeschaltete Gerät muss lange genug geschlossen bleiben, damit das nachgeschaltete Gerät den Fehler beseitigen kann
- Stromselektivität: In einigen Fällen sieht das vorgeschaltete Gerät aufgrund der Impedanz des nachgeschalteten Geräts nur einen reduzierten Strom.
Hersteller stellen Koordinationstabellen zur Verfügung, die zeigen, welche Gerätekombinationen Selektivität erreichen. Das Verständnis der zugrunde liegenden I²t-Beziehungen hilft Ingenieuren jedoch, fundierte Entscheidungen zu treffen, wenn Tabellen bestimmte Szenarien nicht abdecken.
Wichtigste Erkenntnisse
- I²t-Kurven quantifizieren thermische Energie die Schutzschalter während der Fehlerunterbrechung durchlassen, gemessen in Amperequadratsekunden (A²s).
- Strombegrenzende Schutzschalter können die Fehlerenergie um das 1000-fache oder mehr im Vergleich zu nicht-strombegrenzenden Geräten reduzieren, was kleinere Leiterquerschnitte ermöglicht.
- Das Lesen von I²t-Kurven erfordert fünf Schritte: Berechnen Sie den prospektiven Strom, lokalisieren Sie ihn auf der X-Achse, verfolgen Sie ihn zur Schutzschalterkurve, lesen Sie den Wert der Y-Achse ab, vergleichen Sie ihn mit der Leiterfestigkeit.
- Thermische Leiterfestigkeit wird mit K²S² berechnet, wobei K von Material und Isolationsart abhängt und S die Querschnittsfläche ist.
- Die Verifizierungsformel ist einfach: Der I²t-Wert des Schutzschalters muss kleiner sein als der K²S²-Wert des Leiters auf der Höhe des prospektiven Fehlerstroms.
- Einhaltung von Standards erfordert die Einhaltung von IEC 60947-2 für Schutzschalter und IEC 60364-5-54 für die Leiterdimensionierung.
- Häufige Fehler beinhalten verwirrende RMS/Spitzenwerte, die Annahme, dass alle Schutzschalter strombegrenzend sind, und die Vernachlässigung von Umgebungstemperatureffekten.
- Sammelschienenverifizierung verwendet das gleiche I²t-Prinzip, erfordert aber zusätzliche Berechnungen für den Temperaturanstieg.
- Störlichtbogenberechnungen profitieren von I²t-Daten, wodurch häufig Schätzungen der auftretenden Energie für strombegrenzende Schutzschalter reduziert werden.
- Coordination and selectivity hängen von den korrekten I²t-Beziehungen zwischen vorgeschalteten und nachgeschalteten Schutzgeräten ab.
Häufig Gestellte Fragen
F: Kann ich I²t-Kurven für DC-Schutzschalter verwenden?
A: Ja, aber mit Vorsicht. DC-Schutzschalter haben I²t-Kurven, aber der strombegrenzende Effekt ist im Allgemeinen weniger ausgeprägt als bei AC-Schutzschaltern, da natürliche Stromnulldurchgänge fehlen. Verwenden Sie immer DC-spezifische Kurven und wenden Sie niemals AC-Schutzschalterdaten auf DC-Anwendungen an. Erfahren Sie mehr über die Dimensionierung von DC-Schutzschaltern.
F: Was passiert, wenn mein prospektiver Fehlerstrom unter den Startpunkt der Kurve fällt?
A: Die meisten I²t-Kurven beginnen bei Strömen, bei denen die Strombegrenzungswirkung einsetzt (typischerweise 3-5× Nennstrom). Unterhalb dieser Schwelle arbeitet der Schutzschalter in seinem thermischen oder magnetischen Bereich ohne nennenswerte Begrenzung. Verwenden Sie für diese niedrigeren Ströme die Zeit-Strom-Kurve, um I²t zu berechnen als: I²t = I² × Abschaltzeit.
F: Wie oft sollte ich den I²t-Schutz in bestehenden Anlagen neu überprüfen?
A: Eine erneute Überprüfung ist erforderlich, wenn: (1) Netzbetreiber-Upgrades den verfügbaren Fehlerstrom erhöhen, (2) Leiter ausgetauscht oder Stromkreise erweitert werden, (3) Schutzgeräte geändert werden oder (4) größere Lasten hinzugefügt werden. Überprüfen Sie dies am besten im Rahmen regelmäßiger Studien des elektrischen Systems (in der Regel alle 5 Jahre). Das Verständnis von Auslösekurven hilft zu erkennen, wann Änderungen den Schutz beeinträchtigen.
F: Haben Leitungsschutzschalter (MCBs) I²t-Kurven?
A: Ja, MCBs gemäß IEC 60898-1 haben standardisierte maximale I²t-Werte basierend auf ihrem Schaltvermögen (6kA, 10kA usw.) und Kurventyp (B, C, D). Allerdings veröffentlichen die Hersteller nicht immer detaillierte Kurven. Fordern Sie zur genauen Überprüfung I²t-Daten vom Hersteller an oder verwenden Sie die konservativen Maximalwerte aus IEC 60898-1 Anhang D. MCB-Schaltvermögensvergleich bietet zusätzlichen Kontext.
F: Kann ich zwischen Kurven für verschiedene Schutzschalter-Nennwerte interpolieren?
A: Nein, interpolieren Sie niemals zwischen verschiedenen Schutzschalter-Nennwerten auf I²t-Kurven. Jeder Nennwert hat einzigartige interne Eigenschaften, die die Strombegrenzung beeinflussen. Wenn Ihr erforderlicher Nennwert nicht angezeigt wird, fordern Sie spezifische Daten vom Hersteller an oder verwenden Sie die Kurve des nächsthöheren Nennwerts für konservative Ergebnisse.
F: Was ist der Unterschied zwischen I²t- und Icw-Nennwerten bei MCCBs?
A: Icw (Kurzzeitstromfestigkeit) ist der Strom, den ein Schutzschalter für eine bestimmte Zeit (typischerweise 1 Sekunde) führen kann, ohne auszulösen, und wird zur Koordination verwendet. I²t ist die thermische Energie, die der Schutzschalter durchlässt, wenn er auslöst. Sie dienen unterschiedlichen Zwecken: Icw für Selektivität, I²t für Leiterschutz. MCCB-Kurzzeitverzögerung erklärt behandelt diese Unterscheidung im Detail.
Fazit: Integration von I²t in Ihren Designprozess
Das Verständnis und die korrekte Anwendung von I²t-Kurven von Schutzschaltern verwandelt den thermischen Schutz von einer theoretischen Angelegenheit in ein praktisches Designwerkzeug. Der Verifizierungsprozess – Kurven lesen, Leiterfestigkeit berechnen und ausreichende Margen bestätigen – dauert nur wenige Minuten pro Stromkreis, verhindert aber kostspielige Ausfälle und Sicherheitsrisiken.
Moderne Elektroinstallationen sind mit steigenden Fehlerstrompegeln konfrontiert, da die Stromnetze stärker werden und die dezentrale Erzeugung zunimmt. Gleichzeitig treibt der wirtschaftliche Druck die Leiterdimensionierung in Richtung minimal zulässiger Werte. Diese Konvergenz macht die I²t-Verifizierung nicht nur empfehlenswert, sondern unerlässlich für sichere, normgerechte Designs.
VIOX Electric bietet umfassende I²t-Kurven und technischen Support für alle strombegrenzenden Schutzschalter in unserem Produktsortiment. Unser Engineering-Team unterstützt Sie bei thermischen Verifizierungsberechnungen und kann optimale Schutzschalterauswahlen für anspruchsvolle Anwendungen empfehlen, bei denen sich die Fehlerpegel den thermischen Grenzen des Leiters nähern.
Für komplexe Installationen mit mehreren Koordinationsebenen, Sammelschienen-Auswahl, oder spezielle Anwendungen wie Solar Combiner Boxen, Wenden Sie sich an erfahrene Elektroingenieure, die sowohl die theoretischen Grundlagen als auch die praktische Anwendung von I²t-basierten Schutzstrategien verstehen.
Die Investition in eine ordnungsgemäße thermische Verifizierung zahlt sich durch erhöhte Sicherheit, reduzierte Geräteschäden bei Fehlern, niedrigere Versicherungskosten und die Einhaltung immer strengerer Elektrovorschriften weltweit aus. Machen Sie die I²t-Kurvenanalyse zu einem Standardschritt in Ihrem Schutzschalterauswahlprozess – Ihre Leiter und Ihre Kunden werden es Ihnen danken.
